【正文】 CDMA 通信技術(shù)和朗訊科技 CDMA系統(tǒng) 青島朗訊培訓(xùn)中心 宋紅彥 隨著現(xiàn)代通信的發(fā)展，在任一時(shí)間，任一地點(diǎn)能與任一對象進(jìn)行各種信息交流已成為現(xiàn)代通信理所當(dāng)然的目標(biāo)。因而促使移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展異常迅速并日漸成熟。 從 20 世紀(jì) 70 年代末蜂窩移動(dòng)通信的問世到當(dāng)今 21 世紀(jì) CDMA 技術(shù)應(yīng)用，移動(dòng)通信經(jīng)歷了模擬時(shí)代如北美的 AMPS、歐洲的 TACS、瑞典的 NMT900、日本的HCMTS/MCMTS 以及 無繩電話 CT1； 數(shù)字時(shí)代如北美的 DAMPS、歐洲的 GSM、日本的 JDC 直至當(dāng)今 WSCDMA/CDMA2020 等。 在從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變過程中經(jīng)歷了多址通信技術(shù)的發(fā)展： 頻分多址 FDMA、時(shí)分多址 TDMA 以及碼分多址 CDMA。 CDMA 系統(tǒng)是 20世紀(jì) 80 年代末 90年代初由 Qualm 公司開發(fā)試驗(yàn)的， 由于其能有效的降低人為干擾、窄帶干擾、多徑干擾的影響，采用語音激活技術(shù)、各種分集技術(shù)、各小區(qū)間均使用同一頻率無需頻率管理和指配、實(shí)現(xiàn)軟切換，大大增加了系統(tǒng)容量以及系統(tǒng)抗干擾能力。并且滿足了日益激增的對移動(dòng)通信非話業(yè)務(wù)的需求。最典型的是 IS95CDMA 蜂窩 移動(dòng)通信系統(tǒng)。 本文將對多址通信、 IS95 CDMA 系統(tǒng)技術(shù)原理和關(guān)鍵技術(shù)作相應(yīng)介紹 后， 將重點(diǎn) 介紹朗訊科技 CDMA 系統(tǒng)的應(yīng)用和組成。 第一章、 CDMA 通信技術(shù) 一、多址通信方式 傳統(tǒng)的無線通信是建立在點(diǎn)對點(diǎn)的通信基礎(chǔ)上的，而現(xiàn)代通信為了實(shí)現(xiàn)任意呼叫某一用戶的目的逐步轉(zhuǎn)向多址通信。在射頻信號(hào)可分割理論基礎(chǔ)上，在發(fā)送端信號(hào)復(fù)合，在接收端信號(hào)分離，要求各個(gè)信號(hào)之間必須線性相關(guān)且相互正交。即許多移動(dòng)用戶共用一個(gè)寬帶信道，任意二個(gè)移動(dòng)用戶可占用任一指定射頻信道，進(jìn)行相互通信而不影響其他用戶。目前常見的多址通信方式有頻分多址的FDMA 方式、時(shí)分多 址的 TDMA 方式以及碼分多址的 CDMA 方式。 ? FDMA 采用頻率分割，將使用頻段劃分成若干個(gè)極窄子頻的頻道，一個(gè)用戶分配一個(gè)固定頻道，利用調(diào)頻方式在該頻道內(nèi)傳送信息，在接收端采用濾波器將不同信號(hào)分離，實(shí)現(xiàn)多址通信，為模擬方式。例如北美的 APMS 利用 800MHZ 頻段頻率資源，每個(gè)頻道占用帶寬 30KHZ；歐洲的 TACS 利用900MHZ 頻段頻率，每個(gè)頻道占用帶寬 25KHZ。如下圖 (一 )所示。 比較項(xiàng)目 AMPS TACS 工作頻段 (MHZ) 基站發(fā)送： 870890 基站接收： 825845 基站發(fā)送： 935960 基站接收： 890915 頻道間隔 (KHZ) 30 25 控制頻道調(diào)制方式 控制頻道調(diào)制峰值頻偏 FSK ?8KHZ FSK ? 話音頻道調(diào)制方式 話音頻道調(diào)制峰值頻偏 FM ?12KHZ FM ? 控制信號(hào)傳輸速率 (kbps) 10 8 圖 (一 ) AMPS 與 TACS 的主要差別 ? TDMA 是數(shù)字通信的主要多址方式，采用時(shí)域分割，在 FDMA 工作頻段的基礎(chǔ)上，在給定頻帶的最高數(shù)據(jù)速率條件下，將傳送時(shí)間劃分成若干個(gè)時(shí)間間隔 (即為時(shí)隙 )，一個(gè)用戶使用一個(gè)給定的時(shí)隙， 在接收端利用時(shí)間 選通門提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。 例如北美的 DAMPS， 30KHZ 分成 6個(gè) 時(shí)隙，同時(shí)支持 3個(gè)呼叫； 歐洲的 GSM，將 200KHZ 劃分成 8個(gè)時(shí)隙， 支持8個(gè)呼叫。如圖 (二 )所示。 比較項(xiàng)目 DAMPS (IS136) GSM 工作頻段 (MHZ) 基站發(fā)送： 870890 基站接收： 825845 基站發(fā)送： 935960 基站接收： 890915 頻道間隔 (KHZ) 30 25 調(diào)制 ?/4DQPSK (8PSK) GMSK 幀長 (ms) 40 每幀時(shí) 隙 6 8 語音編碼 VSELP (ACELP) PRELTP 最大可能數(shù)據(jù)速率 (kbps) 圖 (一 ) DAMPS 與 GSM的主要差別 不管是 FDMA 還是 TDMA 均存在復(fù)雜的頻率復(fù)用及 RF 設(shè)計(jì)。 ? CDMA 是通過比傳送數(shù)據(jù)速率高得多的特殊編碼來調(diào)制信息，將數(shù)據(jù)帶寬大大擴(kuò)展后再進(jìn)行傳輸，不同用戶使用相同載頻但使用互不干擾的不同編碼，即在同頻同時(shí)的條件下各個(gè)接受機(jī)根據(jù)信號(hào)碼型之間的差異提取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址通信。 目前窄帶 CDMA(IS95)頻道 的劃分基于 AMPS(如圖三所示 )， 系統(tǒng)中 多用戶工作于同一 載頻，利用擴(kuò)頻有效的利用有限的頻帶寬，最終帶寬 擴(kuò)展為，同時(shí)利用三種相關(guān)編碼 ( PN Offset Code， Walsh Code， 42bits Long Code) 進(jìn)行調(diào)制 /解調(diào)來區(qū)分每個(gè)用戶； 將來寬帶 CDMA 可將帶寬擴(kuò)展為 5MHZ、10MHZ、 15MHZ、 20MHZ。 CDMA信道編號(hào) (AMPS 信道編號(hào) ) 基站接收頻率 (MHZ) 基站發(fā)送頻率 (MHZ) 蜂窩頻帶 283(主載頻 ) A 384(主 載頻 ) B 691(次載頻 ) A 777(次載頻 ) B 圖 (三 ) CDMA 信道分配 二、 CDMA 主要技術(shù)參數(shù) CDMA 建立在正交編碼、相關(guān)接收的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)頻通信原理實(shí)現(xiàn)多址通信，其主要技術(shù)參數(shù)如圖四所示 頻段 (MHZ) 824849 (基站收 )， 869894(基站發(fā) ) 頻帶間隔 1,25MHZ 擴(kuò)頻方式 DSPN 擴(kuò)頻碼元速率 幀長 (ms) 20 可變語音 編碼及話音激活 速率 (kbps) QCELP/CELP 8， 13 數(shù)據(jù)調(diào)制速率 (kbps) ， ， ， 調(diào)制方式 QPSK， 64Ary OQPSK 數(shù)據(jù)速率 (kbps) (IS95A)， 64/(IS95B) 圖 (四 ) CDMA 主要技術(shù)參數(shù) 三、 CDMA 關(guān)鍵技術(shù) 直接序列擴(kuò)頻：信息承載信號(hào)被一個(gè)高碼片速率的擴(kuò)展碼相乘。 CDMA 利用自相關(guān)性非常大而互相關(guān)性小的碼序列作為地址碼，對已被原始用戶信息信號(hào)調(diào) 制的載頻進(jìn)行二次調(diào)制，擴(kuò)展其信號(hào)頻譜。 IS95 采用 180 度相移鍵控 QPSK。有效的 降低功率譜密度提高信噪比，保密性好， 同時(shí)用戶共用同一寬帶頻譜不存在互調(diào)干擾。 CDMA 采用三層編碼結(jié)構(gòu)：用戶碼 (42 比特長碼 )、基站碼 (15 比特時(shí)間偏移碼 )、信道的正交碼 (64 正交 walsh 碼 )。 多種分集技術(shù) 分集合成技術(shù)是指系統(tǒng)提供二個(gè)或更多個(gè)輸入信號(hào)到接收端，這些輸入信號(hào)的衰落各不相關(guān)，系統(tǒng)分別接收它們再將它們合成處理后進(jìn)行判決，大大降低衰落對信號(hào)的影響。依據(jù)衰落的頻率、時(shí)間和空間的選擇性，相應(yīng)有頻率分集 、時(shí)間分集和空間分集。 ? 空間分集通過幾個(gè)獨(dú)立天線或在不同位置分別發(fā)射和接收信號(hào)，采用選擇性合成技術(shù)總是選擇信號(hào)較強(qiáng)的一個(gè)輸出，降低了地形等因素對信號(hào)的影響。 CDMA 越區(qū)軟切換就是空間分集的一個(gè)有利例證。 ? CDMA 采用擴(kuò)頻技術(shù)，根據(jù)寬帶信號(hào)不會(huì)在使用頻率均衰落這一特性，其寬帶傳輸即為頻率分集，克服了因信號(hào)傳送的多條路徑以及用戶的移動(dòng)性帶來的多徑衰落。 ? CDMA 利用交織編碼、糾錯(cuò)和檢錯(cuò)編碼等技術(shù)在不同時(shí)隙發(fā)送信號(hào)，利用衰落的時(shí)間選擇性來進(jìn)行時(shí)間分集。 ? 同時(shí) CDMA采用 RAKE接受機(jī) (基站采用 4 finger 接 受機(jī)，手機(jī)采用 3 finger接受機(jī) )分別接收時(shí)延較大的不同路徑強(qiáng)信號(hào)然后合并，采用數(shù)字 判別恢復(fù)信號(hào)。 CDMA 采用多種分集技術(shù)減少衰落對信號(hào)的影響，獲取高質(zhì)量的通信。 自動(dòng)功率控制 FDMA 和 TDMA 依靠用戶占用不同的頻率和時(shí)隙來區(qū)分用戶，而 CDMA 依靠地址碼來解擴(kuò)，依據(jù)功率來區(qū)分信號(hào)。對于移動(dòng)通信中，假設(shè)基站覆蓋小區(qū)中所有用戶均以相同功率發(fā)射，則靠近基站的手機(jī)信號(hào)到達(dá)基站的功率較強(qiáng)，而遠(yuǎn)離基站的手機(jī)信號(hào)較弱，強(qiáng)信號(hào)掩蓋弱信號(hào)，稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。這對于 CDMA 影響尤為突出。 CDMA 只有通過自動(dòng)功率 控制來克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。 ? 上行鏈路 (手機(jī)至基站 )功率控制：一方面通過手機(jī)對其發(fā)射功率的開環(huán)估計(jì) (手機(jī)估計(jì)從基站到手機(jī)的路徑損耗以及根據(jù)收到的基站功率發(fā)送第一個(gè)功率試驗(yàn)值 )，另一方面通過基站輔助閉環(huán)控制 (基站檢測從手機(jī) 來的信噪比，并與系統(tǒng)設(shè)置 的信噪比進(jìn)行比較產(chǎn)生功率校正命令發(fā)送給手機(jī) )，來保證所有手機(jī)信號(hào) 到達(dá)基站時(shí)具有相同功率。 ? 下行鏈路 (基站到手機(jī) )采用功率控制技術(shù)克服同頻干擾：基站估計(jì)下行鏈路的傳輸損耗，分配給每個(gè)業(yè)務(wù)信道一定的初始功率，然后周期性的減少發(fā)射功率直至手機(jī)發(fā)出增加功率請求。 相關(guān) 接收 CDMA 在接收端將高頻擴(kuò)頻信號(hào)變成中頻信號(hào)時(shí)，噪聲和干擾的功率大于有用信號(hào)功率，這時(shí)必須依靠地址碼的相關(guān)特性將有用信號(hào)提取出來。采用匹配濾波器使有用信號(hào)匹配輸出，而噪聲和干擾由于未匹配而被抑制，從而得到最大的信噪比。 語音編碼 語音編碼包括波形編碼 (采用線性預(yù)測技術(shù)，盡可能地重現(xiàn)原始語音波形，語音質(zhì)量高但傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)多 )和參數(shù)編碼 (依據(jù)人類語音生成模型為基礎(chǔ)分析表征語音的特征參數(shù)并傳送這些參數(shù)，在接收端合成恢復(fù)，比特?cái)?shù)降低但語音質(zhì)量不高 )，因此目前多混合使用這二種編碼采用碼激勵(lì)線性預(yù)測編碼 CELP、矢量和激勵(lì)線性預(yù)測編碼 VSELP。同時(shí)存在可變速率話音編碼器，提供 4種速率在話音間歇期減少傳輸速率并降低發(fā)射功率，減少干擾， 容量 soft blocking 特性 CD